WO2023280445A1

WO2023280445A1 - Vorrichtung zur additiven fertigung eines bauteils

Info

Publication number: WO2023280445A1
Application number: PCT/EP2022/056029
Authority: WO
Inventors: Johannes Glasschröder; Oliver Leusch; Christian Miklec; Benjamin HIMMEL; Andreas Lang; Steffen Kirchner; Martin Otter
Original assignee: Grob-Werke Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2023-01-12
Also published as: CN117377567A; EP4341068A1; DE102021117285A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung eines Bauteils offenbart, die einen Wechsel von einem Verschleiß unterliegenden Bauteilen und/oder Bauteilen, die eine Verwendung unterschiedlicher Materialien bei einer additiven Fertigung ermöglichen, erlaubt. Dazu wird ein Magazin (112) mit mehreren Düsen (110) vorgesehen, das einen automatischen Austausch einer Düse durch eine andere während eines Fertigungsprozesses ermöglicht. Dabei kann unter Verwendung geeigneter Aktuatoren entweder lediglich die Düse (110) ausgetauscht werden, oder es kann der das flüssige Material enthaltende Behälter (108) mit daran angebrachter Düse (110) ersetzt werden. Im Falle eines Wechsels des Behälters (108) kann zugleich der darin aufgenommene Kolben ausgetauscht werden.

Description

VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG EINES BAUTEILS

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, insbesondere durch tropfenweise Aufbringen eines flüssigen Materials mittels eines Druck kopfs.

Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich durch einen hohen Grad an Gestaltungsfreiheit und durch die werkzeuglose Fertigung aus. Daher eignen sie sich besonders für Einzelteile und Bauteile mit einem hohen Grad an Komplexität, die mit konventionellen Fertigungsver fahren nicht oder mit nur großem Aufwand hergestellt werden können. Bei diesen additiven Fertigungsverfahren werden die Werkstücke basierend auf digitalen Modellen schichtweise oder elementweise aufgebaut.

Ein typisches Verfahren für den Aufbau metallischer Bauteile ist das sogenannte „Material Jetting“ (MJT) Verfahren, bei dem schmelzflüssiges Material von einem Druckkopf durch eine oder mehrere individuell angesteuerte Düsen direkt auf eine Bauplattform gedruckt wird.

Bei dem oben erwähnten additiven Fertigungsverfahren, das auch als „Liquid Metal Printing“ (LMP) bekannt ist, wird beim Erzeugen eines Tropfens aus einer flüssigen Schmelze häufig eine Düse verwendet, bei der die Düsenöffnung ein integraler Bestandteil des Druckkopfs ist. Bei einer in der WO 2020/120568 Al gezeigten Vorrichtung wird in den Druckkopf eine spe zielle Düsenplatte eingesetzt, die mit einer Spannmutter kraftschlüssig am die Schmelze ent haltenden Tiegel befestigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, bekannte Systeme insbesondere im Hinblick auf eine erhöhte Effizienz bei der Fertigung von Bauteilen aus schmelzflüssigem Material zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst mit der Vorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Die eingangs erwähnte Düse des Druckkopfes unterliegt typischerweise einem Verschleiß. Versagt daher dieses Bauteil während einer Fertigung, führt dies in der Regel zu einem Pro zessabbruch, insbesondere dann, wenn keine Inline-Reinigung der Düse vorgenommen wird. Im Anschluss an solch einen Prozessabbruch muss dann entweder die Düsenplatte oder an dere Bestandteile des Druckkopfes mit der Düsenplatte ausgetauscht werden. Dies kann bei spielsweise durch Vorsehen einer Spannmutter, die eine Düsenplatte kraftschlüssig und lösbar mit dem Tiegel verbindet, ermöglicht werden.

Die Düsenspannmutter ist aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt aus einem metalli schen Werkstoff gefertigt. Auf der anderen Seite handelt es sich bei den meisten anderen Komponenten eines typischerweise verwendeten Druckkopfs bevorzugt um technische Kera miken, die eine geringe Wärmeausdehnung aufweisen. Durch die fehlenden Verformungsei genschaften der Keramiken in Kombination mit dem Einsatz von Fluiden ergeben sich somit Herausforderungen bezüglich der Abdichtung beispielsweise der Düsenplatte gegenüber dem Tiegel oder einer in dem Tiegel vorgesehenen Führungshülse, um ein Auslaufen der flüssigen Schmelze zu verhindern. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil der Tiegel wäh rend der Inbetriebnahme und des Fertigungsprozesses mit einem Überdruck beaufschlagt wird, der die Tropfenerzeugung begünstigt. Daher wird erfindungsgemäß ein elastischer An teil eines Bauteils vorgesehen, so dass eine ausreichende Befestigungskraft beispielsweise der Spannmutter an der keramischen Führungshülse erhalten wird. Ferner ist es von Vorteil, wenn der metallische Werkstoff des Bauteils im Wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoef fizient wie die Keramikkomponente aufweist. Bei der vorliegenden Erfindung wurde insbe sondere erkannt, dass durch eine plastische Verformung eines hitzebeständigen Dichtrings ein Auslaufen der Schmelze an der Düsenplatte unterbunden werden kann.

Die Düsenplatte selbst ist ein Kernelement bei der Tropfenerzeugung und stellt hohe Anforde rungen in Bezug auf den eingesetzten Werkstoff. Eine weitere Herausforderung ergibt sich durch den bereits erwähnten prozessbedingten Verschleiß der Düsenplatte. Insbesondere bei Prozesszeiten von mehreren Tagen bedingt dies eine Inline-Reinigung oder einen mehrfachen Wechsel der Düsenplatte während des Druckprozesses, um eine gleichbleibende Tropfenqua lität zu gewährleisten. Dabei wurde festgestellt, dass eine Inline-Reinigung insbesondere An haftungen in der Düsenbohrung, wie sie beispielsweise bei der Verarbeitung von magnesium haltigen Legierungen auftreten, nicht beseitigen kann. Ferner kann durch eine mechanische Einwirkung auf die Düse das Düsenloch verunreinigt werden, oder es kann zu einer Beschädi gung der Düse und der Abrisskante für die Tropfen kommen. Zur Verringerung von Prozess- nebenzeiten sollte der Wechsel der Düsenplatte daher während des Prozesses, also im heißen Zustand, erfolgen. Die erfmdungsgemäße Lösung ermöglicht einen Wechsel der Düsenplatte während eines Druckprozesses, insbesondere bei gefülltem und aufgeheiztem Tiegel.

Eine weitere Erkenntnis, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, dass es neben der bereits erwähnten Möglichkeit, die Düsenplatte während des Fertigungsprozesses zu erneuern, auch notwendig sein kann, den Tiegel während des Aufbauprozesses zu wech seln. Beispielsweise ist dies dann erforderlich, wenn trotz Einbau einer neuen Düse keine re produzierbare Tropfenqualität erhalten wird, was beispielsweise an Verunreinigungen in der Kolbenführung oder an einem zu großen Schlackeanteil im Tiegel liegen kann. Ferner besteht bei dem LMP-Verfahren die technische Möglichkeit, unterschiedliche Materialien während eines Aufbauprozesses zu verarbeiten. Elm den parallelen Einsatz von zwei separaten Druck köpfen zu vermeiden und die Tiegel sortenrein zu halten, sollte für jedes Material bzw. jede Legierung ein separater Tiegel eingesetzt werden. Außerdem kann die Auftragsrate und damit die Wirtschaftlichkeit bzw. der Detailgrad der Bauteile erhöht werden, wenn unterschiedliche Druckköpfe mit unterschiedlichen Durchmessern der Düsenbohrung eingesetzt werden. So kann ein kleinerer Durchmesser für einen höheren Detailgrad verwendet werden, während ein größerer Durchmesser für eine Erhöhung der Auftragsrate verwendet werden kann.

Daher ist es vorteilhaft, wenn für jedes Material bzw. für jede Legierung ein separater Tiegel eingesetzt wird. Dies bedingt jedoch den Wechsel des Tiegels und gegebenenfalls des Aktors während des laufenden Prozesses. Erfindungsgemäß wird dazu ein Tiegelwechsler vorgese hen, mit dem die Tiegel mit Düsenplatte sowie gegebenenfalls auch der Aktor während des laufenden Prozesses ausgetauscht werden können.

Die hierin beschriebene Düsenplatte ermöglicht eine zuverlässige Abdichtung gegenüber den keramischen Komponenten des Druckkopfs, und damit eine Verhinderung des Auslaufens der Schmelze trotz des Überdrucks im Tiegel.

Ferner führt die erfmdungsgemäße Möglichkeit des Austauschs der Düsenplatte zu einer Ver ringerung der Tiegelkosten, einer Verringerung des Reinigungsaufwands durch Verwendung der austauschbaren Düsenplatten und einer Möglichkeit einer Variation des Durchmessers der Düsenbohrung während eines Prozesses. Zudem kann durch den Austausch der Düsenplatte die Tropfenqualität erhöht werden. Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, während des Druckpro zesses einen Tiegelwechsel vorzunehmen und gegebenenfalls auch auf einfache und automati sierbare Weise den Kolben zu entnehmen.

Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Fi guren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Druckkopfs gemäß der vorlie genden Offenbarung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Düse für den in Fig. 1 gezeigten Druckkopf;

Fig. 3 eine Draufsicht sowie zwei Schnittansichten eines Magazins mit mehreren Düsen ge mäß der vorliegenden Offenbarung;

Fig. 4 eine Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Durchführen eines Tiegelwechsels während eines Prozesses; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Teils eines Druckkopfs sowie zwei zugehörige Schnittansichten.

Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Druckkopf 102 einer Vorrichtung 100 (siehe Fig. 4) zur addi tiven Fertigung eines Bauteils. Der Druckkopf 102 weist eine Basis 106 auf, an der ein Behäl ter 108 befestigt ist, der eine flüssige Schmelze eines Materials 16 aufnimmt. Der Begriff „Basis“ soll hierin breit ausgelegt werden und bezeichnet im Wesentlichen den Teil des Druckkopfs, an dem der jeweilige Behälter 108 angebracht wird. Insbesondere versteht sich für den Fachmann, dass in der Basis 106 in der Regel ein Aktor 132 vorgesehen ist, der den ebenfalls an der Basis 106 angebrachten Kolben 130 bewegt, so dass dieser flüssiges Material 16 aus einer in dem Behälter 108 vorgesehenen Auslassöffnung 109 ausstößt. Zur Ansteue rung des Aktors 132 ist eine Steuerung 200 vorgesehen. Die Steuerung 200 ist ausgebildet zum Ansteuem des Druckkopfs 102 (insbesondere des Aktors 132) zum Aufbringen des flüs sigen Materials 16 auf an sich bekannte Weise. Der Kolben 130 kann beispielsweise durch einen Aktor 132 in Form eines Piezoaktuators axial bewegt werden und dabei flüssige Schmelze aus der Auslassöffnung 109 verdrängen. Dabei versteht sich, dass bei einigen Ausführungsformen in der Auslassöffnung 109 eine Füh rungshülse (nicht gezeigt) vorgesehen sein kann, die den Kolben 130 führt.

Am unteren Ende der Auslassöffnung 109 ist eine Düse 110 an dem Behälter 108 angebracht. Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, kann beispielsweise das Bauteil mit der Düse 110 (z.B. eine Düsenplatte oder dergleichen) mittels eines Befestigungselements 119, bei spielsweise eine Spannmutter, an dem Behälter 108 befestigt sein.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Düse 110, die an dem Behälter 108 bzw. über den Behälter 108 an dem Druckkopf 102 befestigbar ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Düse 110 eine Düsen öffnung 111 auf, die in Form eines Durchgangslochs durch eine Düsenplatte 115 ausgebildet ist. Die Düsenplatte kann beispielsweise aus Graphit bestehen. Es versteht sich, dass auch an dere Materialien, beispielsweise verschiedene Metalle oder Legierungen daraus, verwendet werden können. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Düsenplatte 115 im Wesentlichen kreisför mig ausgebildet, es versteht sich jedoch, dass die Form der Düsenplatte 115 nicht darauf be schränkt ist und beliebige andere Formen aufweisen kann.

Die Düsenöffnung 111 ist von einem plastisch verformbaren Dichtungsmaterial 117 zur Ab dichtung gegenüber dem Behälter 108 umgeben. Insbesondere handelt es sich bei dem Dich tungsmaterial 117 um eine plastisch deformierbare Dichtung beispielsweise der Marke SI- GRAFLEX®. Das Dichtungsmaterial 117 ist hochtemperaturbeständig und kann bei einigen Ausführungsformen um einen vorbestimmten Betrag, beispielsweise 100 bis 200 pm, von der Düsenplatte 115 vorstehen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Dichtungsmaterial 117 aus mehreren Lagen bestehen, beispielsweise aus Graphit.

Während eines Betriebs wird die Düse 110 in einer bezüglich der Basis 106 ersten Montage position lösbar an dem Drückkopf 102 befestigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, bedeutet dabei eine Befestigung an dem Druckkopf 102 an der ersten Montageposition insbesondere eine Befesti gung der Düse 110 über den Behälter 108 an der Basis 106 des Druckkopfs 102. Auf diese Weise weist die Düse 110 eine vorbestimmte Positionsbeziehung zu der Basis 106 auf, was der ersten Montageposition entspricht. Dabei versteht sich, dass die Relativpositionsbezie- hung zwischen der Basis 106 und der Düse 110 anhand geeigneter Bezugspunkte beispiels weise an der Basis 106 auf geeignete Weise definiert werden kann. Beispielsweise kann die erste Montageposition durch einen Abstand entlang der Längsachse des Kolbens 130 von der Unterseite der Basis 106 und eine vorgegebene Position in der dazu senkrechten Ebene (bei spielsweise auf der Längsachse) festgelegt sein.

Bei der Anbringung der Düse 110 mithilfe des Befestigungselements 119, beispielsweise eine Spannmutter, wird das Dichtungsmaterial 117 plastisch verformt und gewährleistet dadurch die gewünschte Abdichtung gegenüber dem Behälter 108 bzw. der nicht gezeigten Führungs hülse desselben. Insbesondere in dem Fall, in dem das Dichtungsmaterial 117 aus mehreren Lagen dünner Schichten aufgebaut ist, kann Schmelze im Übergangsbereich in das Material diffundieren, so dass eine Barriere gebildet wird. Dadurch wird insbesondere auch bei Anle gen eines Überdrucks ein Auslaufen von flüssiger Schmelze unterbunden. Dabei kann das selbe Dichtungsmaterial 117 zusätzlich auch zur Abdichtung des Behälters 108 gegenüber ei ner in Fig. 1 gezeigten Isolationsplatte 121 auf der anderen Seite des Behälters 108 vorgese hen werden.

Während eines Fertigungsprozesses kann es nun notwendig werden, die Düse 110 auszutau schen. Daher weist eine hierin offenbarte Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils neben dem Druckkopf 102 ein Magazin 112 mit mehreren Düsen 110 auf, die jeweils in der bezüglich der Basis 116 ersten Montageposition lösbar an den Druckkopf 102 befestigbar sind. Ein Beispiel für ein solches Magazin 112 ist in Fig. 3 gezeigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist das Magazin 112 einen Träger mit der Mehrzahl von Düsen 110 auf, der verschiebbar in dem Befestigungselement 119 gelagert ist. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Träger als integrierte Düsenplatte 115 ausgebildet, die die jeweiligen Düsenöffnungen 111 der Mehrzahl von Düsen 110 ausbildet. Mit anderen Worten, der Träger, der verschiebbar in dem Befestigungselement 119 gelagert ist, ist in Form einer im Wesentli chen rechteckigen Düsenplatte 115 ausgebildet, in der die mehreren Düsenöffnungen 111 als in einer Reihe angeordnete Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Bevorzugt ist das Dich tungsmaterial 117, das die jeweiligen Düsenöffnungen 111 umgibt, als ein einziges integrier tes Dichtungselement auf der Düsenplatte 115 vorgesehen, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Aus Fig. 3 ist ferner ersichtlich, dass bei Verschiebung des Trägers bzw. der Düsenplatte 115 in dem Befestigungselement 119 in der durch den Pfeil in Fig. 3 angegebenen Richtung eine erste der Düsenöffnungen 111 bzw. der zugehörigen Düsen 110 aus der Position im Zentrum des Befestigungselements 119 bewegt werden kann und eine darauffolgende Düsenöffnung 111 bzw. eine darauffolgende Düse 110 an diese Position bewegt werden kann. Somit ver steht sich, dass bei an dem Behälter 108 befestigten Befestigungselement 119 auf diese Weise eine erste Düse 110 aus der ersten Montageposition bewegt werden kann und eine neue, in dem Magazin 112 aufgenommene Düse an die erste Montageposition bewegt werden kann. Dazu ist mindestens ein Aktuator 114, 124 (siehe Fig. 4) vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, von der Steuerung 200 zum Verfahren des Druckkopfs 102 und/oder des Magazins 112 relativ zueinander angesteuert zu werden, so dass eine der mehreren Düsen 110 an die erste Monta geposition bewegt wird.

Beispielsweise kann der mindestens eine Aktuator 114, 124 dazu verwendet werden, das in Fig. 3 gezeigte rechte Ende des Trägers bzw. der Düsenplatte 115 um einen vorbestimmten Betrag in Richtung nach links zu verschieben, so dass eine neue Düse 110 an der ersten Mon tageposition angeordnet wird. Alternativ dazu kann der mindestens eine Aktuator 114, 124 auch dazu angesteuert werden, den Druckkopf 102 mit dem daran befestigten Befestigungs element 119 so zu bewegen, dass das rechte Ende des Trägers 115 gegen einen dafür vorgese henen Anschlag fährt und bei einer weiteren Bewegung des Druckkopfs in Richtung des An schlags die neue Düse 110 an die erste Montageposition 106 bewegt wird. In beiden Fällen ist jedoch eine automatische Verschiebung des Trägers 115 und damit ein automatischer Wech sel der Düse 110 möglich, ohne dass der Prozess für einen längeren Zeitraum unterbrochen werden muss. Somit kann die Düse gewechselt werden, auch wenn die Düsenplatte die Tem peratur des Tiegels aufweist und sich gegebenenfalls in einer inerten Atmosphäre befindet. Es versteht sich, dass der Widerstand, der zur Verschiebung des Trägers überwunden werden muss, groß genug eingestellt ist, dass eine ungewollte Verschiebung während der Fertigung möglichst ausgeschlossen ist.

Bei einigen Ausführungsformen kann vor der Verschiebung des Trägers beispielsweise das Befestigungselement 119 etwas gelöst werden, um die Verschiebung des Trägers zu erleich tern. Im Anschluss an die Verschiebung wird dann das Befestigungselement 119 erneut ange zogen.

Auch wenn bei dem obigen Beispiel das Magazin 112 die integrierte Düsenplatte 115 mit dem integrierten Dichtungselement 117 aufweist, versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. So könnte beispielsweise ein geeigneter Träger verwendet werden, der in entsprechenden Aufnahmen (beispielsweise Vertiefungen) jeweils wie in Fig. 2 gezeigt einzelne Düsen 110 aufnehmen kann. Dabei muss der Träger nicht aus demselben Material wie die Düsenplatte 115 bestehen. Ferner versteht sich, dass die im Wesentlichen rechteckige Form des Trägers 115 ebenfalls nicht darauf beschränkt ist und geeignete Formen, beispiels wiese Kreisbogensegmente und dergleichen, verwendet werden können, solange eine Ver schiebung oder Verstellung des Trägers in dem entsprechend ausgebildeten Befestigungsele ment 119 auf die oben beschriebene Weise möglich ist.

Wie bereits erwähnt, kann es während des Fertigungsprozesses auch notwendig oder er wünscht sein, den Behälter 108 mit der Düse 110 zu wechseln. Dies wird im Folgenden an hand von Fig. 4 näher erläutert.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann bei einigen Ausführungsformen das Magazin 112 eine Mehrzahl von Aufnahmen 122 aufweisen, die jeweils ausgebildet sind zum Aufnehmen eines Behälters 108, der in einer bezüglich der Basis 106 des Druckkopfs 102 zweiten Montageposition lösbar an der Basis 106 befestigbar ist. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die jeweiligen Auf nahmen 122 als Hohlzylinder ausgebildet, in denen jeweils ein Behälter 108 von oben aufge nommen werden kann. Auch hier versteht sich, dass der Begriff „zweite Montageposition“ breit aufzufassen ist und lediglich angibt, dass eine vorbestimmte Positionsbeziehung zwi schen dem an der Basis 106 angebrachten Behälter 108 und der Basis 106 besteht, die auf ge eignete Weise mittels Bezugspunkten beispielsweise an der Basis 106 definiert werden kann. Ferner versteht sich, dass, wenn der Behälter 108 an der zweiten Montageposition an der Ba sis befestigt ist, damit bevorzugt auch die an dem Behälter 108 angebrachte Düse 110 an der erste Montageposition ist. Das heißt, die in den jeweiligen Aufnahmen 122 aufgenommenen Behälter 108 weisen bevorzugt jeweils die Düsen 110 auf, die so an den entsprechenden Be hältern angebracht sind, dass eine Düsenöffnung derselben in Fluidverbindung mit der Aus lassöffnung 109 des Behälters steht. Dementsprechend kann auch das in Fig. 4 gezeigte Ma gazin 112 als ein Magazin aufgefasst werden, das mehrere Düsen 110 aufweist, die jeweils in einer bezüglich der Basis 106 ersten Montageposition lösbar an dem Druckkopf befestigbar sind (nämlich über die Befestigung des Behälters 108). Der mindestens eine Aktuator wird dabei ebenfalls so angesteuert, dass eine der mehreren Düsen (mit dem zugehörigen Behälter 108) an die erste Montageposition bewegt wird. Damit weist die in Fig. 4 gezeigte Ausfüh rungsform zusätzlich zum Ermöglichen eines Austauschs des Behälters 108 ebenfalls die in Bezug auf Fig. 3 erläuterte Wirkung des Austauschs der Düse 110 auf.

Ein Austausch des Behälters 108 wird im Folgenden näher erläutert. Insbesondere ist die Steuerung 200 der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 100 dazu ausgebildet, den mindestens ei nen Aktuator 114, 124 derart anzusteuern, dass eine erste, leere Aufnahme 122 an einer Posi tion benachbart zu einem an der Basis 106 befestigten ersten Behälter 108 und in einem vor bestimmten Abstand zu demselben angeordnet wird. Beispielsweise kann mit der in Fig. 4 ge zeigten Vorrichtung, bei der die mehreren Aufnahmen 122 an mehreren in radialer Richtung verlaufenden Armen vorgesehen sind und um eine Schwenkachse Z verschwenkt werden kön nen, eine Drehung um die Schwenkachse Z durch einen Aktuator 124 erfolgen, so dass eine leere Aufnahme 122 unterhalb des an dem Druckkopf 102 angebrachten Behälters 108 positi oniert wird.

Dann wird der mindestens eine Aktuator 114, 124 so angesteuert, dass eine Relativbewegung in der Z-Richtung zwischen dem befestigten Behälter 108 und dessen Aufnahme 122 stattfin- det, so dass sich der befestigte erste Behälter in der ersten Aufnahme 122 befindet. Beispiels weise kann der Aktuator 114 den Druckkopf 102 (ggf. mitsamt dem daran angebrachten Ma gazin 112) in der Z-Richtung absenken, bis der Behälter in der Aufnahme 122 platziert ist. Dann kann die Befestigung des ersten Behälters 108 auf geeignete Weise gelöst werden, und der in der ersten Aufnahme 122 aufgenommene gelöste erste Behälter 108 kann aus der zwei ten Montageposition an eine zu dieser unterschiedlichen Position bewegt werden. Dabei ver steht sich, dass in der Regel der Kolben 130 (siehe Fig. 1) von der Basis 106 vorsteht. Das heißt, in der Regel ist eine Bewegung des gelösten Behälters mitsamt seiner Aufnahme weg von der Basis 106 erforderlich, um ein erneutes Verschwenken um die Schwenkachse Z durchzuführen. Anschließend kann dann eine zweite Aufnahme 122 mit einem darin aufge nommenen (neuen) zweiten Behälter 108 derart bewegt werden, dass der zweite Behälter an die zweite Montageposition gebracht wird. Es versteht sich, dass dabei neben einer Schwenk bewegung erneut eine Bewegung in der Z-Richtung hin zu der Basis 106 erforderlich sein kann. Abschließend kann dann der zweite Behälter auf geeignete Weise an der Basis 106 be festigt werden. Wie bereits erwähnt kann, da der Behälter 108 in der Regel bereits mit einer Düse 110 oder unter Umständen auch mit einem in Fig. 3 gezeigten Düsenmagazin versehen ist, dies auch als Düsenwechsel aufgefasst werden. Es versteht sich, dass zum Durchführen des oben erläuterten Wechsels des Behälters 108 in einem vorherigen Schritt zunächst einmal die den Behälter 108 umgebenden weiteren Be standteile des Druckkopfs 102 von diesem entfernt werden müssen. Beispielsweise muss der in Fig. 4 gezeigte Endtopf 126 mit Heizung, Schutzgasführung etc. nach unten gefahren wer den, um den Behälter 108 freizulegen.

Mit dem oben beschriebenen System kann der gesamte Wechselprozess ohne längere Abkühl phasen der einzelnen Teilkomponenten durchgeführt werden. Die gebrauchten Behälter kön nen nach einem Abkühlen bereits während des laufenden Druckprozesses oder am Ende des selben aus dem Tiegelwechsler entnommen und gereinigt werden.

Für den Fall, dass bei der Fertigung unterschiedliche Materialien verarbeitet werden sollen, ist neben dem oben erläuterten Wechsel des Behälters 108 in der Regel auch ein Wechsel des Kolbens 130 notwendig. Da insbesondere im Falle einer Verwendung eines Piezoaktuators als den Aktor 132 (siehe Fig. 1) der Kolben 130 zur Erzeugung von Tropfen mit einer definierten Kraft in Bezug auf den Piezoaktuator vorgespannt sein muss, muss zum Lösen des Kolbens 130 das System zunächst entspannt werden, was im Folgenden näher erläutert wird.

Fig. 5 zeigt auf der linken Seite eine schematische Ansicht eines oberen Endes des Kolbens 130, der an der Basis 106 gelagert ist. Insbesondere ist das obere Ende des Kolbens 130 durch ein Haltebauteil 137 gehalten, das mit dem Kolben 130 gegen die Basis 106 vorgespannt ist. So ist ein geeignetes Vorspannelement, beispielsweise eine Feder 135, an der Basis 106 abge stützt und spannt das Haltebauteil 137, in dem das obere Ende des Kolbens 130 aufgenommen ist, in Richtung zu der Basis 106 (nach oben) vor, beispielsweise gegen eine (nicht gezeigte) lösbar mit der Basis 106 verbundene Hülse des Aktors 132. Der Aktor 132, beispielsweise ein Piezoaktuator, ist beispielsweise so in der Basis 106 vorgesehen, dass sein unteres Ende im Wesentlichen an dem oberen Ende des Kolbens 130 anliegt, so dass bei einer Betätigung des selben der Kolben mitsamt Haltebauteil 137 nach unten in Richtung der Auslassöffnung 109 bewegt wird.

Damit durch eine auf geeignete Weise um oder bei dem Kolben 130 vorgesehene Kolbenein griffsvorrichtung 138 der Kolben entnommen werden kann, muss zunächst der Kolben 130 von dem Aktor 132 entfernt werden. Dazu ist eine Trenneinrichtung 133 in Form von bei spielsweise Eingriffsöffnungen in der Basis 106 vorgesehen, mittels derer durch Einfuhren ei nes geeigneten Werkzeugs das Haltebauteil 137 gegen die Vorspannung weg von der Basis 106 bewegt werden kann. Zum automatischen Entnehmen und erneuten Einsetzen des Kol bens 130 kann die Steuerung 200 dazu ausgebildet sein, die Kolbeneingriffsvorrichtung 138 (beispielsweise ein herkömmliches Greifelement oder dergleichen) zum Ineingriffnehmen und Entnehmen des in Eingriff genommenen Kolbens 130 aus dem Haltebauteil 137 bei von der Basis 106 wegbewegtem Haltebauteil 137 anzusteuem.

Bei einer Ausführungsform weist das obere Ende des Kolbens 130 mindestens eine radial vor stehende Nase 140 auf, die in einer entsprechenden Führungsnut 142 des Haltebauteils 137 aufgenommen ist und eine Bewegung des Kolbens 130 in der Längsrichtung desselben sowie in Umfangsrichtung begrenzt. Die Führungsnut 142 ist also in der Z-Richtung nicht durchgän gig, sondern das untere Ende derselben bildet einen Anschlag aus. Dies ist in den beiden Schnittansichten entlang der Linie A-A auf der rechten Seite in Fig. 5 dargestellt. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel sind drei Nasen 140 vorgesehen. Der obere Teil der rechten Seite der Darstellung zeigt dabei den Zustand, in dem die Nasen 140 in den entsprechenden Führungs nuten 142 aufgenommen ist, so dass keine Bewegung des Kolbens in Umfangsrichtung oder nach unten möglich ist.

Nachdem jedoch über die Trenneinrichtung 133 das Haltebauteil mit dem Kolben 130 ent spannt worden ist, kann mittels der Kolbeneingriffsvorrichtung 138 der Kolben in Richtung der Basis 106 bewegt und um die Längsachse desselben um einen vorbestimmten Winkel, beispielsweise 60°, gedreht werden, wodurch die radial vorstehenden Nasen 140 mit entspre chenden Entnahmenuten 144 in dem Haltebauteil 137 ausgerichtet sind. Anders als die Füh rungsnuten 142 sind die Entnahmenuten 144 dabei durch das gesamte Haltebauteil 137 ausge bildet, so dass der geneignet positionierte Kolben 130 nach unten aus dem Haltebauteil 137 und der Basis 106 entnommen werden kann.

Es versteht sich, dass die in Fig. 5 gezeigte Trenneinrichtung 133 in Form der Eingriffsöff nungen lediglich beispielhaft ist und beliebige andere Mechanismen zum Aufheben der Vor spannung und Ermöglichen der Bewegung des Kolbens 130 in Richtung des Aktors 132 ver wendet werden können, um den automatischen Kolbenwechsel zu ermöglichen. Ferner versteht sich, dass der oben erläuterte Kolbenwechsel insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene Wechsel des Behälters 108 durchge führt wird.

Insgesamt wird bei den oben beschriebenen Vorrichtungen bzw. Verfahren ein Wechsel sämt licher Komponenten des Druckkopfs 102, die einerseits einem Verschleiß unterliegen und an dererseits eine flexiblere Fertigung unter Verwendung beispielsweise unterschiedlicher Mate rialien und dergleichen ermöglichen, während eines Prozesses ermöglicht. Somit kann eine Gesamteffizienz der Fertigung bzw. des Fertigungsprozesses erhöht werden, da ein Austausch von Teilen durchgeführt werden kann, ohne dass die Fertigung gestoppt werden muss, sämtli che Komponenten des Druckkopfs 102 ab kühlen müssen, und dergleichen.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung eines Bauteils, mit: einem Druckkopf (102), der zum Aufbringen eines flüssigen Materials (16) ausgebil det ist, wobei der Druckkopf eine Basis (106) aufweist; einer Steuerung (200), die ausgebildet ist zum Ansteuern des Druckkopfs (102) zum Aufbringen des flüssigen Materials (16); einem Magazin (112) mit mehreren Düsen (110), die jeweils in einer bezüglich der Basis (106) ersten Montageposition lösbar an dem Druckkopf befestigbar sind; und mindestens einem Aktuator (114, 124), der dazu ausgebildet ist, von der Steuerung (200) zum Verfahren des Druckkopfs (102) und/oder des Magazins (112) relativ zueinander angesteuert zu werden, so dass eine der mehreren Düsen (110) an die erste Montageposition bewegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Druckkopf einen in einer bezüglich der Basis (106) zweiten Montageposition an der Basis befestigten Behälter (108) aufweist, der zur Aufnahme des flüssigen Materials (16) ausgebildet ist, bei der jede Düse (110) in der ersten Montageposition lösbar an dem Behälter (108) befestigbar ist, so dass eine Düsenöffnung (111) der Düse (110) in Fluidverbindung mit einer in dem Behälter ausgebildeten Auslassöffnung (109) steht, und eine die Düsenöffnung (111) ausbildende Düsenplatte (115) und ein die Düsenöffnung (111) umgebendes, plastisch ver formbares Dichtungsmaterial (117) zur Abdichtung gegenüber dem Behälter (108) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Dichtungsmaterial (117) aus mehre ren Lagen, beispielsweise aus Grafit, aufgebaut ist und/oder einen vorbestimmten Betrag, bei spielsweise 100 bis 200 pm, von der Düsenplatte (115) vorsteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, ferner mit einem Befestigungselement (119), beispielsweise eine Spannmutter, das ausgebildet ist zum Befestigen des Magazins (112) an dem Behälter (108), bei der das Magazin (112) einen Träger mit der Mehrzahl von Düsen (110) aufweist, der verschiebbar in dem Befestigungselement (119) gelagert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Träger als integrierte Düsenplatte (115) ausgebildet ist, die die jeweiligen Düsenöffnungen (111) der Mehrzahl von Düsen (110) ausbildet, bei der optional das Dichtungsmaterial (117) als ein einziges integriertes Dichtungs element, das die jeweiligen Düsenöffnungen (111) umgibt, auf der Düsenplatte (115) vorgese hen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Steuerung (200) dazu ausge bildet ist, den mindestens einen Aktuator (114) derart anzusteuem, dass dieser direkt oder in direkt den Träger in dem Befestigungselement (119) derart verschiebt, dass eine erste der Mehrzahl von Düsen (110) aus der ersten Montageposition bewegt wird und eine zweite der Mehrzahl von Düsen (110) an die erste Montageposition bewegt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Magazin (112) eine Mehrzahl von Aufnahmen (122) aufweist, die jeweils ausgebildet sind zum Aufnehmen eines Behälters (108), der zur Aufnahme des flüssigen Ma terials (16) ausgebildet ist und in einer bezüglich der Basis (106) zweiten Montageposition lösbar an der Basis befestigbar ist, bei der die mehreren Düsen (110) jeweils an einem in einer der Aufnahmen (122) auf genommenen Behälter (108) vorgesehen sind, so dass eine Düsenöffnung (111) der Düse (110) in Fluidverbindung mit einer in dem Behälter ausgebildeten Auslassöffnung (109) steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuerung (200) ausgebildet ist zum Ansteuern des mindestens einen Aktuators (114, 124) zum

Bewegen einer ersten, leeren Aufnahme (122) an eine Position benachbart zu einem an der Basis (106) befestigten ersten Behälter (108) und in einem vorbestimmten Abstand zu demselben,

Bewegen des befestigten ersten Behälters (108) und der ersten Aufnahme (122) relativ zueinander, so dass sich der befestigte erste Behälter in der ersten Aufnahme (122) befindet,

Lösen der Befestigung des ersten Behälters (108),

Bewegen des in der ersten Aufnahme (122) aufgenommenen ersten Behälters (108) an eine zu der zweiten Montageposition unterschiedliche Position, Bewegen einer zweiten Aufnahme (122) mit einem darin aufgenommenen zweiten Be hälter (108) derart, dass der zweite Behälter an der zweiten Montageposition angeordnet ist, und

Befestigen des zweiten Behälters an der Basis (106).

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Mehrzahl von Aufnahmen (122) verschwenkbar um eine Schwenkachse (Z) angeordnet sind und ein erster Aktuator (124) ausgebildet ist zum Verschwenken der Mehrzahl von Aufnahmen (122) um die Schwenkachse (Z), optional mit einem zweiten Aktuator zum Bewegen der Mehrzahl von Aufnahmen (122) in einer Richtung entlang der Schwenkachse (Z).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ferner mit einer Abdeckung (126), die zum Abdecken und Beheizen des an der zweiten Montageposition befestigten Behälters (108) an der Basis (106) befestigbar ist, bei der ein dritter Aktuator (114) zum Bewegen der gelösten Abdeckung (126) weg von der Basis (106) zum Freilegen des Behälters (108) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der sich der erste Behälter und der zweite Behälter (108) hinsichtlich mindestens des in diesen aufgenommenen flüssigen Materials (16) oder eines Durchmessers der Düsenöffnung (111) der zugehörigen Düse (110) unterscheiden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner mit: einem beweglich an der Basis (106) gelagertem Haltebauteil (137), das ein oberes Ende des Kolbens (130) hält, wobei das Haltebauteil (137) mit dem Kolben (130) gegen die Basis (106) vorgespannt ist; einer Trenneinrichtung (133), die ausgebildet ist zum Bewegen des Haltebauteils (137) gegen die Vorspannung, und einer Kolbeneingriffsvorrichtung (138), die ausgebildet ist zum Eingriff mit dem Kol ben (130) bei gelöstem ersten Behälter (108), bei der die Steuerung (200) dazu ausgebildet ist, die Kolbeneingriffsvorrichtung (138) zum Entnehmen des in Eingriff genommenen Kolbens (130) aus dem Haltebauteil (137) bei von der Basis (106) weg bewegtem Haltebauteil (137) anzusteuern.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das obere Ende des Kolbens (130) min destens eine radial vorstehende Nase (140) aufweist, die in einer entsprechenden Führungsnut (142) des Haltebauteils (137) aufgenommen ist und eine Bewegung des Kolbens (130) in der Längsrichtung desselben begrenzt, bei der die Steuerung (200) ausgebildet ist zum Ansteuem der Kolbeneingriffsvorrich tung (138) zum Drehen des Kolbens um die Längsachse desselben um einen vorbestimmten Winkel, optional nach einem Bewegen des Kolbens in Richtung der Basis (106), und Bewe gen des gedrehten Kolbens weg von der Basis (106) zum Entnehmen desselben aus dem Hal tebauteil (137).

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Trenneinrichtung (133) mindestens eine in der Basis ausgebildete Eingriffsöffnung aufweist, durch die eine Trennvor richtung, beispielsweise ein Keil, zwischen die Basis (106) und das Haltebauteil (137) zum Trennen derselben voneinander einführbar ist.